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周穎
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：現如今，智能變電站發(fā)展已經成為了電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的內容，如何提高智能變電站的運行效率也成為電力系統(tǒng)發(fā)展的一個重要目標，為了能夠更好地促進電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，本文則就智能變電站自動化系統(tǒng)的實現進行了分析。
關鍵詞：智能變電站；自動化系統(tǒng)；一體化監(jiān)控
電能作為人們生產生活的主要能源，如何保障電能安全、經濟與穩(wěn)定地運輸和使用可謂是十分的重要。 要想提升電力系統(tǒng)整體運行效率，為用戶提供安全的電能，需要對其中的設施設備進行技術創(chuàng)新，不斷滿足日漸嚴峻的供電需求。變電站作為整個電力系統(tǒng)中非常關鍵的部分，如何實現智能化發(fā)展是現如今較為重要的目標任務之一。而本文也是基于這一目的來進行了如下研究：
1智能變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷程與特點
1.1發(fā)展歷程
分析變電站監(jiān)控系統(tǒng)整個發(fā)展歷程，我們就能夠發(fā)現 其從*開始的集中式綜合自動化系統(tǒng)一直發(fā)展成為了現如今的智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)。集中式綜合自動化 系統(tǒng)在變電站內設置數據采集柜、控制柜，對全站數據進 行集中采集、集中控制。系統(tǒng)結構簡單，但單一模塊故障就會導致數據丟失，可靠性不高。分散式綜合自動化系統(tǒng)在設計過程中，則使用了間隔層及站控層這兩層的架構方式。間隔層包含保護、測控、計量等裝置，按間隔配置；站控層包含后臺系統(tǒng)、遠動、GPS對時裝置等。間隔層的功能實現不受站控層設備的影響，自動化系統(tǒng)的可靠性顯著提高。伴隨著IEC61850標準的制定和完善，數字化變電站迅速發(fā)展起來。其主要是借助于IEC61850來進行二次設備互聯(lián)與操作，通過這一方式來促使裝置之間的水平通信得以有效實現，簡化了二次接線，系統(tǒng)可靠性進一步增強。在數字化變電站基礎上，在社會不斷發(fā)展中電子式互感器、設備智能化發(fā)展進程也在不斷推進，在這種環(huán)境下，智能變電站開始使用具體包含過程層、間隔層、站控層的三層體系架構，通過這一種架構方式，能夠有效地在站內實現全站信息共享與設備統(tǒng)一管理，所以相較于之前而言變電站自動化水平也有著明顯的提升。
1.2特點
智能變電站相較于傳統(tǒng)變電站有如下顯著特點：一是設備安裝方式的變化，如過程層合并單元、智能終端就地安裝，保護測控裝置就地安裝。這使得變電站內電纜用量顯著減少、光纜用量增加，電氣系統(tǒng)的信號也真正實現了數字化傳輸，并且信號在使用過程中的抗電磁干擾能力也得到了增強。二是智能設備的使用，如智能變電站繼電保護裝置、 測控裝置、智能表計、在線監(jiān)測裝置、網絡分析儀等。這些智能設備在變電站自動化系統(tǒng)之中的應用，能夠真正將系統(tǒng)運行狀態(tài)變成可視化，設備也開始從之前的定期檢修發(fā)展成為了狀態(tài)檢修。三是系統(tǒng)整合度也有了明顯的提升，智能變電站將原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護信息子站、五防子站、電能計量、在線監(jiān)測等分散系統(tǒng)整合為一體化監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)結構。四是智能變電站構建全景數據平臺，這一平臺的存在直接實現了全站數據信息共享。
2智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的設備與架構
2.1系統(tǒng)架構
智能變電站自動化系統(tǒng)在設計過程中，可以使用三層兩網結構來進行設計，具體而言，其三層主要指的是站控層、間隔層、過程層等設備，而兩網則主要指的是MMS網、SV/GOOSE網。典型220kV變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)結構圖如圖1所示。實際工程中可結合具體情況對監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，如將MMS網、SV網.GOOSE網以及IEEE1588對時網四網合一，在確保整個通信質量的基礎上，對網絡設備進行簡化處理。
圖1典型220kV智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)結構圖
2.2設備
智能變電站之中的監(jiān)控系統(tǒng)站控層包含的設備較多，像是監(jiān)控主機、操作員工作站、數據服務器、綜合應用服務器、數據通信網關機，站控層交換機等都屬于這一層的設備；間隔層設備主要包括智能繼電保護、智能測控、PMU、智能電度表、間隔層交換機等；過程層設備則包括合并單元、智能終端以及過程層交換機等網絡設備。在對智能變電站自動化系統(tǒng)進行設計的時候，可在不同電壓等級變電站設備配置原則的基礎上研究優(yōu)化方案，例如，可以使用合并單元智能終端一體化裝置、智能保護測控一體化裝置等，同時再將PMU功能與測控功能有效地結合在一起，這樣就能真正讓交換機數量變少，同時還能有效減少智能變電站光纜數量，降低智能變電站自動化系統(tǒng)的設備投資。
3智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)功能與核心技術
3.1主要功能
智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)若能得以實現，其主要功能就體現在以下幾個方面：（1）全景數據采集功能。包括變電站穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)數據，一次、二次及輔助設備運行狀態(tài)數據。（2）運行監(jiān)視功能。這一功能中主要包含了運行監(jiān)視、設備狀態(tài)監(jiān)視等。（3）控制與操作功能，包含操作控制安全性機制、順序控制、防誤閉鎖、智能操作票、無功優(yōu)化控制等。（4）信息綜合分析與智能警示功能，包含智能告警，故障綜 合分析等。（5）運行管理功能。這一項功能主要就表現在源端維護、權限管理、設備管理等方面。（6）輔助應用功能，包含視頻監(jiān)控、安全防護、環(huán)境監(jiān)測、火災報警等，實現對重要設備操作前后的圖像確認。
3.2核心技術
智能變電站的發(fā)展依賴于網絡通信技術、智能繼電保護采樣與數據同步技術、時間同步系統(tǒng)與對時技術、智能變電站調試技術等核心技術的不斷發(fā)展。智能變電站采用工業(yè)以太網技術全面替代傳統(tǒng)總線技術，基于交換機制的以太網交換機已從百兆、千兆發(fā)展至萬兆，以太網通信速率甚至已達到lOOGbps,這使得網絡通信系統(tǒng)能夠滿足其承載的保護業(yè)務對可靠、快速、準確和安全性能的要求。智能變電站繼電保護相較于傳統(tǒng)保護來說被動接收合并單元發(fā)來的采樣數據，而從合并單元向保護發(fā)送數據的延時受通信通道工況的影響將導致CPU接收數據的時間間隔 變動較大，需要新的采樣傳送機制來應對這一挑戰(zhàn)；而對于線路光纖縱差保護裝置而言，由于存在一側為電子式互感器采樣、另一側為傳統(tǒng)互感器采樣的情形，常規(guī)采樣數據同步方法受到了挑戰(zhàn)，可采用改進插值法、時鐘接力法等算法實現采樣數據同步。智能變電站在進行對時系統(tǒng)設計方面，其方式也較多，像是IRIG-B碼對時、脈沖對時、網絡對時等都屬于其成熟方式；其中IEEE1588則是使用了主從結構之中精度較高的網絡時鐘同步協(xié)議，借助于這一協(xié)議能夠真正實現亞微秒級同步精度，在其發(fā)展過程中加入了同等路徑延遲機制，并采用基于IEEE8O2.3的MAC地址多播方式，不需要增加額外網絡設備便可提供一種高效可行的時鐘對時方案。智能變電站由于大量的電纜硬連接被網絡通信報文代替、配置過程又基于電子化SCL模型文件，故其調試方法有很大變化，應采用先功能后性能、先單裝置后系統(tǒng)的分層次調試流程。調試過程中如果出現裝置功能更改、對外信息變化等情況，裝置ICD文件會發(fā)生變化，應根據變更情況進行分析，及時確定與之相關的所有裝置，并相應修改SCD與CID文件。
4智能變電站自動化系統(tǒng)設計要點
4.1設備配置
假設智能變電站電壓等級是220kV及以上的話，其高壓各個間隔就可以使用雙套進行保護，同時還可以使用單套來實現測控，而且相應的過程層之中是配置雙套合并單元以及雙套智能終端；主變則可以為其配置雙套保護以及單套測控，相應的高壓側可為其配置雙套智能終端以及合并單元，對于中壓110kV側與低壓側在進行配置的時候，則可以為其配置雙套合并單元智能終端一體化裝置；電壓等級若是110kV,在配置過程中除了主變之外，*好是每 間隔使用單套保護測控集成裝置與單套合并單元智能終端一體化裝置；電壓等級若是35kV及以下的話，在配置過程中其間隔除主變之外的，則可以考慮使用單套保護測控計量三合一裝置，就地安裝在相應開關柜內。在這一配置過程中，過程層與站控層所構建的網絡均可以使用雙網冗余星形結構。實際工程中變電站設備配置應在充分滿足系統(tǒng)性能要求的基礎上盡量簡化，以降低設備投資與故障率。
4.2采樣跳閘方式選擇
基于智能變電站網絡結構及IEC61850信息傳輸標準，智能變電站保護、測控、計量、故障錄波、PMU等業(yè)務可采用多種采樣控制方式。以*重要的繼電保護業(yè)務為例，智能變電站繼電保護采樣與跳閘方式分成以下幾種：(1)直采直跳。這一種系統(tǒng)模式在實際應用過程中，繼電保護設備能夠直接通過光纖直連的方式來實現跳閘與采樣，優(yōu)點在于可靠性高，但光纜數量很大。(2)網采直跳。這一系統(tǒng)模式是指采樣值由SV網采集，跳閘采用光纖直連實現。其優(yōu)點在于跳閘可靠性高，對SV網性能要求高，要求網絡通信性能穩(wěn)定。(3 )直采網跳。這一系統(tǒng)模式是指采樣值通過光纜直連采集，再經過GOOSE網實現網絡跳閘。這種方式采樣可靠性高，跳閘要求GOOSE網性能穩(wěn)定。⑷網采網跳。這一模式直接打破了傳統(tǒng)的采樣與跳閘方式，通過SV網與GOOSE網來實現采樣與跳閘，大程度地發(fā)揮了智能變電站網絡化特點，但對系統(tǒng)網絡性能要求很高。隨著網絡通信技術與智能繼電保護采樣同步技術的發(fā)展，智能變電站繼電保護網采網跳方式將得到更廣泛的應用。
Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網絡系統(tǒng)實現連接。站控層設備包括監(jiān)控主機，提供站內運行的人機聯(lián)系界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠方監(jiān)控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監(jiān)控功能。
針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格比*，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網絡結構，站控層網絡采用TCP/IP協(xié)議的以太網。站控層網絡采用單網雙機熱備配置。
5.2應用場所：
適用于公共建筑、工業(yè)建筑、居住建筑等各行業(yè)35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制管理。
Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。
監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預告報警包括一般設備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。
1）事故報警。事故狀態(tài)方式時，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調節(jié)），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。
事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。
次事故報警發(fā)生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。
2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設置四種規(guī)定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預告報警和事故報警。
3）開關事故跳閘到次數或開關拉閘到次數，推出報警信息，提示用戶檢修。
4）報警方式。
報警方式具有多種表現形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據自己的需要添加或修改報警信息。
操作員對需要控制的電氣設備進行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護功能，允許監(jiān)護人員在操作員工作站上實施監(jiān)護，避免誤操作。
操作控制分為四級：
第控制，設備就地檢修控制。具有優(yōu)先級的控制權。當操作人員將就地設備的遠方/就地切換開關放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現場操作。
級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。
第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。
第四級控制，遠方控制，優(yōu)先級。
原則上間隔層控制和設備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設置操作員、監(jiān)護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。
納入控制的設備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關及帶電動機構的接地開關；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。
3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設備進行定時控制操作，設定啟動和關閉時間，完成定時控制。
4）監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出。控制輸出的接點為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。
系統(tǒng)設置了用戶權限管理功能，通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權限的權限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。
6 系統(tǒng)硬件配置
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 |
35kV變電站綜合自動化系統(tǒng) | Acrel- 1000 |
| 可顯示變電站主接線圖，模擬配電網絡運行，實現無人值班模式；根據順序事件記錄、歷史曲線、故障錄波，協(xié)助運維人員實現快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時間；實時采集各回路、設備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動等參數，對配電系統(tǒng)和用電設備進行用能分析和能效管理 |
網關 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數據接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數據傳輸、支持標準8GB SD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數據；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC 220V，導軌式安裝。 |
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M |
| 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； |
ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | ||
ARB5-S |
| 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域； | |
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監(jiān)測 | APView500 |
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協(xié)議。 |
35kV/100kV/6kV 間隔智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
35kV/10kV/ 6kV傳感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； |
變壓器繞組 溫度檢測 | ARTM-8 |
| 8路溫度巡檢，預埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； |
變壓器接頭測溫低壓進出線柜接頭測溫 | ARTM-Pn-E |
| 無線測溫采集可接入60個無線測溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測量；2路告警輸出；1路RS485通訊； |
ATE400 |
| 合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125C，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米； | |
柜內環(huán)境溫濕度 | AHE100 |
| 無線溫濕度傳感器，溫度精度：±1℃，濕度精度：±3％RH，發(fā)射頻率：5min，傳輸距離：200m，電池壽命：≥3年（可更換） |
ATC600 |
| 兩種工作模式：終端、中繼。ATC600-Z做中繼透傳，ATC600-Z到ATC600-C的傳輸距離空曠1000m，ATC600-C可接收AHE傳輸的數據，1路485,2路報警出口。 |
應用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護功能 | 其他功能 |
35kV/10kV/ 6kV進線 | AM6-L |
| 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | 操作回路、 雙以太網口、 雙485口、 2路4-20mA變 送輸出、 故障錄波、 GPS對時、 全電量測量 直流量測量
|
35kV/10kV/ 6kV饋線 | AM6-L | 三段式過流保護（帶方向、低壓閉鎖）、過負荷保護、PT斷線告警、逆功率保護、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護、斷路器失靈保護； | ||
35kV主變 （2000kVA以上） | AM6-D2/ AM-3 | 兩圈變/三圈變差動速斷保護、比例制動差動保護； | ||
AM6-TB | 變壓器后備保護測控、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、非電量保護、啟動通風保護、PT斷線告警、遙調升檔、遙調降檔、遙調急停； | |||
35kV/10kV/ 6kV廠用變 | AM6-S | 三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、零序過流、過負荷保護（告警/跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、非電量保護； | ||
35kV電機 （2000kW以上） | AM6-MD | 差動速斷保護、比例差動保護、過流、過負荷、堵轉等電機綜合保護； | ||
10kV/6kV 異步電機 | AM6-M | 兩段式過流/零序過流/負序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、低電壓保護、PT斷線告警、堵轉保護、啟動超時、熱過載保護、電壓不平衡； | ||
35kV/10kV/6kV PT監(jiān)測 | AM6-UB | PT并列/解列、PT監(jiān)測； | ||
10kV/6kV 電容器 | AM6-C | 兩段式過流/零序過流保護、過負荷保護（告警/跳閘）、PT斷線告警、過電壓/欠電壓跳閘、不平衡電壓/電流保護； | ||
35kV/10kV/ 6kV母聯(lián) | AM6-B | 兩進線備投/母聯(lián)備投/自適應備投、聯(lián)切備投、三段式過流保護（帶方向、復合電壓閉鎖）、PT斷線告警、過負荷聯(lián)切/告警、檢同期、合環(huán)保護； |
綜上所述，智能變電站自動化系統(tǒng)具有全數字化、高智能化、高集成度、全景數據展示等顯著特點。伴隨智能變電站的技術發(fā)展，不斷深化其智能化特征，在發(fā)展過程中做到智能調節(jié)、自動化控制、在線分析決策以及協(xié)同互動等各種功效，這樣才能讓變電站運維管理水平和質量得以提升。
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